Оценка теплового режима ИМС. 
Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ КАФЕДРА РЭС РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Оценка теплового режима ИМС. Расчет надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам»

МИНСК, 2009

Оценка теплового режима ИМС

Конструкция ИМС должна быть такой, чтобы теплота, выделяющаяся при ее функционировании, не приводила в наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации к отказам элементов в результате перегрева. К тепловыделяющим элементам следует отнести, прежде всего, резисторы, активные элементы и компоненты. Мощности, рассеиваемые конденсаторами и индуктивностями, невелики. Пленочная коммутация ИМС благодаря малому электрическому сопротивлению и высокой теплопроводности металлических пленок способствует отводу теплоты от наиболее нагретых элементов и выравниванию температуры платы ГИС или кристаллов полупроводниковых ИМС.

Введем следующие понятия, необходимые для осуществления тепловых расчетов.

Перегрев элемента или компонента ИМС (И, °С), — разность между их температурой и средней температурой поверхности корпуса. Максимально допустимая температура T_{max доп} — максимальная температура элемента или компонента ИМС, при которой обеспечиваются требования к их надежности. Удельная мощность рассеяния (Р₀, Вт/°С) — плотность теплового потока от элемента ИМС, кристалла или платы ИМС. Внутреннее тепловое сопротивление элемента, кристалла или компонента ИМС (R_{t вн}, °С/Вт) — тепловое сопротивление самого элемента (кристалла, компонента) и тепловое сопротивление контакта между элементом (компонентом) и платой (кристаллом и корпусом) с учетом теплового сопротивления клеевой прослойки.

Рис. 1. Тепловой поток от источника теплоты при различных соотношениях между размерами тепловыделяющих элементов и толщиной подложки: 1 — теплоотвод; 2 — слой клея или компаунда; 3 — подложка; 4 — тепловыделяющий элемент В случае, когда весь тепловой поток сосредоточен под элементом ИМС и направлен к подложке (рис. 1), при соотношении l, b>>h тепловой поток плоскопараллелен и тепловое сопротивление

где R_T — тепловое сопротивление; и — коэффициенты теплопроводности материала подложки и клея, Вт/(м*°С); h_П и h_K — их толщины; b и l — размеры контакта тепловыделяющего элемента с подложкой; h = h_П + h_K.

При уменьшении размеров источника тепла тепловой поток становится расходящимся (рис. 1), эффективность теплоотвода увеличивается и соответственно уменьшается тепловое сопротивление. Этот факт учитывается функцией :

где q = l/2h, r = b/2h, l и b — линейные размеры плоского источника теплоты.

Для корпусов, значения функции даны на рис. 2.

Рис. 2. Значение функции :

а — при q=0+0,1; б — при q=0,1+0,4; в — при q=0,4+1,0; г — при q=1,0+4,0

Расчет надежности полупроводниковых ИМС по

внезапным отказам

Для расчета надежности полупроводниковых ИМС разработан ряд методик на основе статистического и физического методов.

Статистические методы используют для ориентировочного расчета надежности на этапе эскизного проектирования ИМС, а физические — для окончательного расчета на этапе разработки рабочей документации.

Рассмотрим наиболее распространенные методики расчета для этих двух методов.

Статистический метод. В основу методики расчета надежности полупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те же допущения, что и при расчете гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т. е. с помощью прямых и обратно смещенных p-n-переходов. Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же, что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полупроводниковых ИМС при данном расчете используют элементы структуры и конструкции ИМС (рис. 3): транзисторные 1 и диодные 2 p-n-переходы, внутрисхемные соединения 3 и выводы корпуса 4.

Интенсивность отказов корпусных полупроводниковых ИМС рассчитывают по выражению

где — число условных транзисторных переходов; — число условных диодных переходов, равное общему числу диодов, резисторов и конденсаторов; — число внешних выводов; , — коэффициенты режима работы транзисторных и диодных переходов;, и — интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединений соответственно (для нормальных условий); — коэффициент вибрации.

При расчете бескорпусных полупроводниковых ИМС выражение (3) упрощается, так как отсутствуют соединения с выводами корпуса и = 0. Рекомендуемые для расчетов средние статистические значения интенсивностей отказов компонентов ненадежности следующие:

Рис. 4. Зависимости поправочных коэффициентов от температуры и коэффициента нагрузки k_a для пленочных резисторов (a), транзисторов (б), диодов (в) и пленочных конденсаторов (г)

Рекомендуемые значения коэффициентов режима работы для различной температуры окружающей среды при расчете по данной методике приведены в табл. 1.

Значение вероятности безотказной работы Р (t) определяют обычным путем.

Рис. 5. Конструкция полупроводниковой биполярной ИМС Следует отметить, что полупроводниковые ИМС общего применения универсальны и предназначены для многоцелевого использования. В конкретном схемном включении часть цепей и внешних выводов ИМС может не использоваться и, следовательно, они не будут влиять на надежность всего устройства. Поэтому расчет по выражению (27.1) необходимо производить с учетом конкретного включения ИМС. Это часто имеет место при использовании бескорпусных полупроводниковых ИМС в МСБ. Следовательно, одна и та же ИМС может иметь различные уровни надежности.

Табл. 1 Коэффициенты режима работы элементов полупроводниковых

ИМС

Физический метод. Данный метод учитывает не только количество компонентов ненадежности, но и качество разработанной топологии, количество технологических операций, режим работы и эксплуатационные воздействия.

Исходными данными для расчета надежности полупроводниковых ИМС физическим методом являются принципиальная электрическая схема, разработанная топология, маршрут технологического процесса и значения интенсивности отказов компонентов ненадежности.

В отличие от гибридных ИМС в полупроводниковых ИМС выделяют следующие элементы конструкции, характеризующиеся определенными значениями интенсивности отказов: кристалл, корпус, соединения. Однако активные и пассивные элементы полупроводниковых ИМС формируются в объеме и (или) на поверхности кристалла с помощью определенного числа технологических операций и не могут считаться самостоятельными (дискретными) при расчете надежности. Их надежность во многом будет зависеть от сложности технологического процесса. Анализ отказов полупроводниковых биполярных и МДП-ИМС позволяет выявить наиболее часто встречающиеся отказы, обусловленные различного рода дефектами, и определить их интенсивность. Так, для полупроводниковых ИМС, в зависимости от вида дефекта, установлены такие значения интенсивности отказов элементов структуры и конструкции:

из-за дефектов, обусловленных диффузией (для одной стадии) ;

из-за дефектов металлизации (на 1 мм² площади) ;

из-за дефектов оксида (на 1 мм² площади) ;

из-за дефектов от посторонних включений в корпусе (на 1 мм² площади кристалла) ;

из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла (на 1 мм² площади кристалла)

из-за некачественного крепления кристалла ;

из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения ;

из-за повреждения корпуса (для пластмассового корпуса) и (для металлокерамического корпуса).

По этим значениям можно определить интенсивности отказов активных и пассивных элементов и элементов конструкции полупроводниковых ИМС с учетом стадийности диффузионных или других высокотемпературных процессов, реальных площадей элементов, металлизации и кристалла.

Поэтому в качестве компонентов ненадежности используют элементы структуры и конструкции полупроводниковой ИМС, значения интенсивностей отказов которых определяются выражениями:

где, , — интенсивности отказов элементов (транзистора, диода, диффузионного резистора, диффузионной перемычки или шины), металлизации и кристалла соответственно; — число стадий диффузии при формировании того или иного элемента;, , — площади (в мм²) элемента, металлизации и кристалла соответственно.

К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, характеризующиеся значениями и. Только после такого определения расчет можно свести, как и в случае гибридных ИМС, к суммированию интенсивностей отказов отдельных компонентов ненадежности с учетом поправочных коэффициентов на величину электрической нагрузки и состояние окружающей среды.

В данном случае интенсивность отказов полупроводниковых ИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено по экспоненциальному закону, определяется выражением

где т — число групп элементов;

n_i — число элементов данного типа с одинаковым режимом работы;

— поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры и электрической нагрузки;

— поправочный коэффициент, учитывающий механические воздействия, относительную влажность и изменение атмосферного давления;

— интенсивность отказов элементов структуры (транзисторов, диодов, резисторов), металлизации, кристалла и конструкции (соединений, корпуса).

Порядок расчета надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам физическим методом следующий.

1. По заданной принципиальной электрической схеме и разработанной топологии определяют число n_i структурных элементов каждого типа и число т, m_i типов элементов.

2. По топологии и маршрутной карте технологического процесса изготовления полупроводниковой ИМС определяют число диффузий для изготовления структурных элементов каждого типа.

3. По топологии определяют площади структурных элементов каждого типа, и площадь кристалла .

4. Используя данные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, по выражениям (4) — (6) определяют значения для элементов каждого типа.

5. По заданным электрическим параметрам и принципиальной электрической схеме производят расчет электрического режима и определяют коэффициенты нагрузки k_Hi для активных и пассивных элементов (как при расчете гибридных ИМС). Коэффициент нагрузки k_НМi наиболее нагруженных проводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.) определяют из выражения

где — ток через i-й проводник металлизации; и — ширина и толщина проводника металлизации; — допустимая плотность тока через проводник металлизации.

6. Для заданной температуры и рассчитанных значений k_нi по графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов (, и).

7. По заданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k₁ k₂, и определяют k_i = k₁k₂k₃.

8. По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивность отказов ИМС.

Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС

1. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. — 379 с.

2. Новиков Ю. В., Скоробогатов П. К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. — 440 с.

3. Пухальский Г. И., Новосельцева Т. Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. — 885 с.

4. Преснухин Л. Н., Воробьев Н. В., Шишкевич А. А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. — 526 с.

5. Букреев И. Н., Горячев В. И., Мансуров Б. М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. — 416 с.

6. Соломатин Н. М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. — 160 с.